某熱電廠600 MW鍋爐水冷壁管開(kāi)裂原因

韓志遠(yuǎn)

(內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司, 呼和浩特 010206)

水冷壁管是熱電廠鍋爐實(shí)現(xiàn)熱量傳遞與交換最核心的部件，由于鍋爐運(yùn)行工況的復(fù)雜性，水冷壁管失效的情況較為常見(jiàn)。水冷壁管一旦失效不僅會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。 因此，分析水冷壁管的失效原因并提出有效的預(yù)防措施，對(duì)保證熱電廠鍋爐的安全運(yùn)行具有非常重要的意義[1-5]。

某熱電廠600 MW鍋爐為東方鍋爐公司制造的亞臨界、自然循環(huán)、前后墻對(duì)沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的Ⅱ型汽包爐,型號(hào)為DG2070/17.5-Ⅱ4。鍋爐設(shè)計(jì)壓力為19.1 MPa，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2 070 t·h-1，額定蒸發(fā)量為1 876 t·h-1，額定蒸汽溫度為541 ℃。該鍋爐在進(jìn)行A級(jí)檢修時(shí)根據(jù)需要更換了部分水冷壁管，檢修完成后鍋爐在額定工作壓力下進(jìn)行了水壓試驗(yàn)，當(dāng)一次汽系統(tǒng)壓力升至16.7 MPa時(shí)，鍋爐右前角水冷壁放水管處發(fā)生了滲漏，在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)水冷壁下集箱放水管右前角左數(shù)第3根管開(kāi)裂。為了找出該水冷壁管的開(kāi)裂原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，以期杜絕類似失效事件再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

該600 MW鍋爐爐膛的斷面尺寸為20.7 m×16.744 m，爐膛容積為18 532 m3。爐膛高熱負(fù)荷區(qū)域采用內(nèi)螺紋管膜式水冷壁，水循環(huán)方式為自然水循環(huán)。爐膛上部布置有前、后屏式過(guò)熱器及高溫過(guò)熱器，折焰角后部水平煙道布置有高溫再熱器，后豎井雙煙道分別布置有水平低溫過(guò)熱器、低溫再熱器及省煤器。鍋爐水冷壁具體參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐水冷壁參數(shù)Tab.1 Parameters of the boiler water wall tube

新更換的水冷壁下集箱放水管的規(guī)格為φ42 mm×6 mm，發(fā)生開(kāi)裂部位距管端2 m，鍋爐爐管的具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)裂水冷壁管位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of location of the cracked water wall tube

對(duì)開(kāi)裂管子中間原始裂紋部位進(jìn)行解剖，宏觀形貌如圖2和圖3所示。由圖2和圖3判斷管子裂紋斷面上部為原始缺陷，裂紋深度為0.5～3 mm，下部為裂紋擴(kuò)展區(qū)域，裂紋從管子外壁起始一直向內(nèi)壁擴(kuò)展。從裂紋形態(tài)推測(cè)該裂紋屬于原始管材的軋制裂紋。管子裂紋從中間部位開(kāi)裂，開(kāi)口寬度約1.5 mm，長(zhǎng)度約400 mm，從裂紋的開(kāi)裂寬度推測(cè)原始裂紋長(zhǎng)度約為200 mm，兩端的裂紋為裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中拉裂導(dǎo)致的。

圖2 開(kāi)裂管段宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the cracked tube section

圖3 開(kāi)裂管段縱剖斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of longitudinal fracture of the cracked tube section

1.2 化學(xué)成分分析

水冷壁放水管材料為20G鋼，水冷壁放水管采用冷拔制造工藝生產(chǎn)并進(jìn)行了熱處理。材料的化學(xué)成分是保證材料使用性能的前提，因此分別對(duì)新的水冷壁管和發(fā)生開(kāi)裂的水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，水冷壁管化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中對(duì)20G鋼的成分要求。

表2 水冷壁管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the water wall tube (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

在開(kāi)裂管子裂口附近割取兩段水冷壁管制成2個(gè)金相試樣，對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖4所示?？梢?jiàn)其顯微組織為鐵素體+珠光體，未發(fā)現(xiàn)球化，未見(jiàn)異常顯微組織，符合GB/T 5310-2017的技術(shù)要求。

圖4 開(kāi)裂管子顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the cracked tube:a) at low magnification; b) at high magnification

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)開(kāi)裂水冷壁管是否存在其他問(wèn)題，割取管樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和硬度測(cè)試，結(jié)果表3，可見(jiàn)其滿足GB/T 5310-2017的技術(shù)要求。此外割取管樣進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)裂紋及其他缺陷。

表3 水冷壁管力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Mechanical properties test results of the water wall tube

2 分析與討論

失效水冷壁放水管的金相檢驗(yàn)結(jié)果表明其顯微組織正常，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果均符合GB/T 5310-2017的技術(shù)要求。失效水冷壁放水管的化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017對(duì)20G鋼的成分要求。結(jié)合失效管材解剖結(jié)果，分析認(rèn)為水冷壁放水管在水壓試驗(yàn)時(shí)失效開(kāi)裂泄漏原因?yàn)樵脊懿呐髁线吔遣课淮嬖趭A渣缺陷，在管子拔制時(shí)夾渣遺留在母材內(nèi)部，造成母材不連續(xù)缺陷，在水壓試驗(yàn)升壓時(shí)導(dǎo)致水冷壁管失效開(kāi)裂[6-8]。該批管子裝配前未進(jìn)行100%探傷檢查，因此管子存在的原始缺陷未被發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致管子使用時(shí)失效開(kāi)裂[9]。此外通過(guò)檢驗(yàn)與開(kāi)裂管同批次管材，均未發(fā)現(xiàn)水冷壁管存在超標(biāo)缺陷。此次更換的所有管子是同一批次管材但發(fā)生開(kāi)裂的管子僅有1根，比例約為1%，檢驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以確認(rèn)該開(kāi)裂管為個(gè)別現(xiàn)象，具有一定的偶然性。

3 結(jié)論及建議

由于水冷壁管子存在原始缺陷，鍋爐進(jìn)行水壓試驗(yàn)升壓過(guò)程中在內(nèi)壓力作用下，水冷壁管的裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致水冷壁管開(kāi)裂。

建議新購(gòu)買的鍋爐管材盡量進(jìn)行100%超聲波探傷、渦流探傷、磁粉探傷等檢驗(yàn)，避免類似事故的再次發(fā)生。